特高压绝缘子串电场分布研究

张广龙，张 颖

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013；2.山东电子职业技术学院，山东 济南 250013）

0 引言

绝缘子在交流高电压作用下，由于各个绝缘子对导线及杆塔杂散电容不同，沿绝缘子串的电压分布极不均匀，导线侧的绝缘子所承受的电压远远超过其他绝缘子，且导线侧绝缘子钢脚附近电场强度数值也相对较高，这使得绝缘子串的起晕、劣化往往从导线侧绝缘子开始。特高压输电线路中，电压等级的提高使杆塔增高、绝缘子串长度急剧增加，绝缘子串电位分布相对于750 kV及以下等级的绝缘子电位分布更不均匀，严重影响了输电线路的安全运行。通过放置设计合理的均压环，可以有效地改善绝缘子端部电场强度和电压分布。

1 特高压绝缘子串主要型式

锡盟—南京1 000 kV特高压交流输电工程导线选用八分裂LGJ-630/45型钢芯铝绞线，根据《1 000 kV架空输电线路设计规范》（送审稿）规定的安全系数要求[1-2]，确定的悬垂绝缘子串型式如图1所示。

图1 2×300 kN双联悬垂绝缘子串组装图

2 绝缘子串电场分布研究

采用ANSYS有限元软件对绝缘子串进行电场分布仿真计算。ANSYS软件是国际流行的融结构、力、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，不仅较好的应用于静电场，其电磁计算在电气工程中的应用非常广泛，包括各个方面，如电机的电磁分布、电磁力以及与电力电子装置相结合等情况下的分析和特性预测及电机参数的计算等，还有变压器以及其他电力系统元件，如高压绝缘子、输电线和配电线的外部磁场、电晕等的分析[3]。

2.1 2×300 kN双联悬垂绝缘子串电场分布计算

（1）无均压环的双联悬垂绝缘子串电场计算。

对2×300 kN双联悬垂串，其无均压环时的电位分布和电场情况见图2、图3。

图2 无均压环的悬垂串电位分布

图3 无均压环的悬垂串周围电场分布

根据图2看出，双联悬垂绝缘子串的电场分布在无均压环时电位分布极不均匀，最靠近导线侧绝缘子单片最大承受电压从51.4 kV，局部最大场强3.2 kV/mm。如果不采取均压措施，导线侧绝缘子分担电压过高，运行中会起晕，对长期运行不利，同时无线电干扰也不能满足运行要求。

从图3中可以看出，绝缘子串电场强度从导线侧到中间逐渐减弱，绝缘子串靠近导线的第一片绝缘子钢脚根部的电场强度最大，局部最大场强达3.5 kV/mm，已超出空气的平均起晕场强。 所以，无论从单个绝缘子的分担电压，还是局部最大场强来看，都必需采取均压措施来改善绝缘子串电场分布，提高其长期运行性能。

（2）不同尺寸和位置放置均压环的计算结果。

绝缘子串的均压措施多采取均压环的方式，均压环的选择除了要满足运行要求，改善电场分布，同时应当考虑经济性。均压环的设计主要是尺寸和位置，为了进行优化设计，对不同尺寸均压环，不同位置均压环的情况进行了电场计算。表1—表3是不同位置和均压环尺寸的计算结果。

表1 不同均压环环体截面直径的计算结果

表2 不同大环半径的计算结果

表3 均压不同位置的计算结果

图4 不同均压环管径下的单片绝缘子最大承受电压百分比

图5 不同均压环大环半径下的单片绝缘子最大承受电压百分比

图6 不同均压环放置位置的单片绝缘子最大承受电压百分比

从表1和图4的计算结果可以看出，在均压环大环半径和均压环位置固定情况下，随均压环管径的增大，单片承受电压逐渐降低，管径（环体截面直径）120 mm时，单片承受最大电压百分比为4.68%，当管径为140 mm时，随管径增大，单片最大分担电压百分比降低幅度较小，为4.54%。但140 mm管径的均压环成本要高于120mm的很多，考虑到成本因素，均压环体截面直径取120 mm比较合适。

从表2和图5可以看出，当均压环环体截面直径固定为120 mm时，大环半径不同，均压效果不同，在3种大环半径尺寸下，大环半径为500 mm时，单片最大分担电压百分比最小，因此选取500 mm为均压环大环半径。

均压环放置位置不同，均压效果也有差异，从表3和图6可以看出，均压环放置在第三、四片，第四、五片间均压效果最好，两者相比，取均压环较低的位置，即放置均压环在导线侧绝缘子第三、四片间，以尽可能减少均压环对绝缘子串干弧距离的影响。

（3）有均压环的双联悬垂绝缘子串电场计算。

均压环尺寸参考单串选择方法：均匀环为单环结构，形状如图7所示，环体截面直径（管径）为120 mm，环体中心距离最近绝缘子串中心500 mm，均压环放置在绝缘子串导线侧第三片和第四片之间。

增加均压环后的双联悬垂串瓷绝缘子电场计算结果如图8-图11所示。

图7 增加均压环的悬垂串电位分布

图8 增加均压环的悬垂串周围电场分布

图9 增加均压环的悬垂串电场分布

图10 2×300 kN双悬垂串加均压环前后各个绝缘子分担电压

图11 双串悬垂串2×300 kN加均压环前后各个绝缘子分担电压百分比

3 结论

通过增加均压环，绝缘子串电位分布明显得到了改善，最靠近导线侧绝缘子分担的电位百分比从8.9%下降到了4.6%，单片承受电压从51.4 kV下降为26.7 kV；局部最大场强也有了大幅度下降，从3.2 kV/mm下降到1.6 kV/mm。

从计算结果可以看出，增加均匀环后，绝缘子串电场分别得到了有效改善，均压环尺寸和位置比较合理。